Premios Nobel otorgados por investigaciónen biología celular y molecular desde 1958Año Premiado* Premio en Área de investigación Páginas en el texto2008 Francoise Barré-Sinoussi

Luc MontagnierHarald zur HausenMartin ChalfieOsamu ShimomuraRoger Tsien

M y F

Química

Descubrimiento del VIH

Función del HPV en el cáncerDescubrimiento y desarrollo del GFP

23

654267, 720

760

2007 Mario R. CapecchiMartin J. EvansOliver Smithies

M y F Desarrollo de técnicas en ratones con blo-queo genético

Interferencia de RNA2006 Andrew Z. Fire

Craig C. MelloRoger D. Kornberg

M y F

QuímicaTranscripción en eucariotas

449, 762

427, 481

2004 Richard Axel Linda B. BuckAaron CiechanoverAvram HershkoIrwin Rose

M y F

Química

Receptores olfatorios

Ubicuitina y proteosomas

622

529

2003 Peter AgreRoderick MacKinnon

Química Estructura de los canales de la membrana 146, 148

2002 Sydney BrennerJohn SulstonH. Robert HorvitzJohn B. FennKoichi TanakaKurt Wüthrich

M y F

Química

Introducción de C. elegans como un microor-ganismo modelo

Apoptosis en C. elegansIonización con electrospray en MSMALDI en MSAnálisis de proteínas con NMR

17

64374074056

2001 Leland HartwellTim HuntPaul Nurse

M y F Control del ciclo celular 564, 600

2000 Arvid CarlssonPaul GreengardEric Kandel

M y F Transmisión sináptica y transducción de señal

163605

1999 Günter Blobel M y F Tránsito de proteínas 276

1998 Robert FurchgottLouis IgnarroFerid Murad

M y F ON como mensajero intercelular 641

1997 Jens C. SkouPaul BoyerJohn WalkerStanley B. Prusiner

Química

M y F

Na+/K+-ATPasaMecanismo de la síntesis de ATP

Estructura proteínica de los priones

153195

641996 Rolf M. Zinkernagel

Peter C. DohertyM y F Reconocimiento de células infectadas

con virus por el sistema inmunitario709

Año Premiado* Premio en Área de investigación Páginas en el texto1995 Edward B. Lewis

Christiane Nüsslein-VolhardEric Wieschaus

M y F Control genético del desarrollo embrionario

EP12

1994 Alfred GilmanMartin Rodbell

M y F Estructura y función de las proteínas (G) de unión del GTP

610

1993 Kary MullisMichael SmithRichard J. RobertsPhillip A. Sharp

Química

M y F

Reacción en cadena de polimerasa (PCR)Mutagénesis dirigida a sitio (SDM)Secuencias intermedias

751760438

1992 Edmond FischerEdwin Krebs

M y F Alteración de la actividad enzimática porfosforilación/desfosforilación

112, 614

1991 Erwin NeherBert Sakmann

M y F Medición del flujo de iones medianteregistro placa-pinza

47

1989 J. Michael BishopHarold VarmusThomas R. CechSidney Altman

M y F

Química

Genes celulares capaces de causar transformación malignaCapacidad del RNA para catalizar

reacciones

677

469

1988 Johann DeisenhoferRobert HuberHartmut Michel

Química Centro bacteriano de reacción de fotosíntesis

213

1987 Susumu Tonegawa M y F Reordenamientos del DNA que originan la diversidad de anticuerpos

696

1986 Rita Levi-MontalciniStanley Cohen

M y F Factores que afectan el brote neural 372

1985 Michael S. BrownJoseph L. Goldstein

M y F Regulación del metabolismo del colesterol y la endocitosis

312

1984 Georges KöhlerCesar MilsteinNiels K. JerneBruce Merrifield

M y F

Química

Anticuerpos monoclonales

Formación de anticuerposSíntesis química de péptidos

763

687746

1983 Barbara McClintock M y F Elementos móviles en el genoma 4021982 Aaron Klug Química Estructura de complejos de ácido

nucleico-proteína76

1980 Paul BergWalter GilbertFrederick SangerBaruj BennacerrafJean DaussetGeorge D. Snell

Química

M y F

Tecnología de DNA recombinanteTecnología de secuenciación de DNA

Complejo mayor de histocompatibilidad

748753

699

1978 Werner ArberDaniel NathansHamilton O. SmithPeter Mitchell

M y F

Química

Tecnología de restricción de endonucleasa

Mecanismo quimioosmótico de fosforilación oxidativa

746

181

1976 D. Carleton Gajdusek M y F Enfermedades basadas en priones 641975 David Baltimore

Renato DulbeccoHoward M. Temin

M y F Transcriptasa inversa y actividad viral tumoral

676

1974 Albert ClaudeChristian de DuveGeorge E. Palade

M y F Estructura y función de componentes internos de las células

267

Año Premiado* Premio en Área de investigación Páginas en el texto1972 Gerald Edelman

Rodney R. PorterChristian B. Anfinsen

M y F

Química

Estructura de la inmunoglobulina

Relación entre la estructura primaria y terciaria de las proteínas

693

62

1971 Earl W. Sutherland M y F Mecanismo de acción de las hormonas y AMP cíclico

614

1970 Bernard KatzUlf von EulerLuis F. Leloir

M y F

Química

Propagación y transmisión del impulso nervioso

Función de nucleótidos azúcar en la síntesis de carbohidratos

160

280

1969 Max DelbrückAlfred D. HersheySalvador E. Luria

M y F Estructura genética de los virus 22, 415

1968 H. Gobind KhoranaMarshall W. NirenbergRobert W. Holley

M y F Código genético

Estructura del RNA de transferencia

456

4571966 Peyton Rous M y F Tumores virales 676

1965 Francois JacobAndre M. LwoffJacques L. Monod

M y F Operones bacterianos y RNA mensajero 500, 421

1964 Dorothy C. Hodgkin Química Estructura de moléculas orgánicas com-plejas

740

1963 John C. EcclesAlan L. HodgkinAndrew F. Huxley

M y F Bases iónicas de los potenciales de membrana de los nervios

159

1962 Francis H. C. CrickJames D. WatsonMaurice H. F. WilkinsJohn C. KendrewMax F. Perutz

M y F

Química

Estructura tridimensional del DNA

Estructura tridimensional de proteínas globulares

386

56

1961 Melvin Calvin Química Bioquímica de la asimilación de CO2 durante la fotosíntesis

221

1960 F. MacFarlane BurnetPeter B. Medawar

M y F Teoría de selección clonal de la formación de anticuerpos

687

1959 Arthur KornbergSevero Ochoa

M y F Síntesis de DNA y RNA 538, 456

1958 George W. BeadleJoshua LederbergEdward L. TatumFrederick Sanger

M y F

Química

Expresión génica

Estructura primaria de las proteínas

420

54* M y F, medicina y fisiología.

Sexta edición

Biologíacelular

y molecularConceptos y experimentos

Gerald Karp

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • MADRID • NUEVA YORK SAN JUAN • SANTIAGO • SAO PAULO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL

NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SIDNEY • SINGAPUR • ST. LOUIS • TORONTO

Traducción:Martha Elena Araiza Martínez

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NOTA

La medicina es una ciencia en constante desarrollo. Conforme surjan nuevos conocimientos, se requerirán cambios de la tera-péutica. El (los) autor(es) y los editores se han esforzado para que los cuadros de dosificación medicamentosa sean precisos y acordes con lo establecido en la fecha de publicación. Sin embargo, ante los posibles errores humanos y cambios en la me-dicina, ni los editores ni cualquier otra persona que haya participado en la preparación de la obra garantizan que la información contenida en ella sea precisa o completa, tampoco son responsables de errores u omisiones, ni de los resultados que con dicha información se obtengan. Convendría recurrir a otras fuentes de datos, por ejemplo, y de manera particular, habrá que consultar la hoja informativa que se adjunta con cada medicamento, para tener certeza de que la información de esta obra es precisa y no se han introducido cambios en la dosis recomendada o en las contraindicaciones para su administración. Esto es de particular importancia con respecto a fármacos nuevos o de uso no frecuente. También deberá consultarse a los laboratorios para recabar información sobre los valores normales.

Educación

DERECHOS RESERVADOS © 2011, 2009, 2005, 1998 respecto a la cuarta edición en español por, McGRAW-HILL INTERAMERICANA EDITORES, S.A. de C.V.A subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A, Piso 17, Col. Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C. P. 01376, México, D. F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736

ISBN: 978-607-15-0504-0

Translated from the sixth English edition of:Cell and Molecular Biology: Concepts and ExperimentsCopyright © 2010 by John Wiley & Sons, Inc.All Rights ReservedISBN 13: 978-0-470-48337-4

1234567890 109876543210Impreso en China Printed in China

Director editorial: Javier de León FragaCorrección de estilo: Germán Arias Rebatet, Armando Ruiz CalderónEditora de desarrollo: Norma Leticia García Carbajal Supervisor de producción: José Luis González Huerta

BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR

Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita del editor.

G erald C. Karp recibió un grado de licencia-tura de la UCLA y un doctorado (Ph.D.) de la University of Washington. Realizó investigación posdoctoral en el University of Colorado Medical Center antes de unirse a la facultad en la University of Florida. Gerry es el autor de numerosos artículos de investigación sobre biología celular y molecular de desarrollo inicial. Sus intereses incluyen la sínte-sis de RNA en embriones jóvenes, el movimiento de las células mesenquimatosas durante la gastrulación y la determinación ce-

lular en los mohos del cieno. Durante 13 años impartió cursos de biología molecular, celular y del desarrollo en la University of Florida. Durante este periodo, Gerry fue coautor de un libro so-bre biología del desarrollo junto con N. John Berrill y escribió un libro sobre biología celular y molecular. Debido a su dedicación a los libros, le resultó imposible cumplir con la tarea simultánea de profesor de tiempo completo y autor, Gerry tuvo que abandonar su posición en la facultad para concentrarse en la escritura. Es-pera revisar esta obra cada tres años.

Sobre el autor

Para Patsy y Jenny

A ntes de empezar a trabajar en la primera edición de este libro, establecí varios lineamientos básicos acerca del tipo de libro que planeaba escribir.● Quería un libro adecuado para un curso introductorio de biología celular y molecular que abarca un solo semestre, o 1 a 2 trimestres. Hice un borrador del texto de unas 800 páginas que no abrumara ni desalentara a los estudiantes de este nivel.● Quería un texto que describiera los conceptos fundamenta-les, como la relación entre la estructura molecular y la función; el carácter dinámico de los organelos celulares; el uso de energía química para las actividades celulares y el aseguramiento de la biosíntesis precisa de macromoléculas; la unidad y diversidad observadas al nivel macromolecular y celular, y los mecanismos que regulan las actividades celulares.● Quería un libro que estuviera fundamentado en un abordaje experimental. La biología celular y molecular es una ciencia ex-perimental y, como la mayor parte de los profesores, creo que los estudiantes deben aprender algo sobre cómo se descubrió lo que se sabe. Con esto en mente, decidí abordar la naturaleza experi-mental del tema en dos formas. Mientras escribía cada capítulo, incluí suficiente evidencia experimental para justificar muchas de las conclusiones presentadas. En el transcurso, describí las características sobresalientes de las estrategias experimentales y metodologías de investigación. Por ejemplo, los capítulos 8 y 9 contienen secciones introductorias sobre las técnicas más importantes para el análisis de las membranas celulares y el citoesqueleto, respectivamente. Incluí descripciones breves de algunos experimentos importantes en el texto de los capítulos para reforzar la base experimental del conocimiento. Incluí los aspectos más detallados de las metodologías en un “capítulo de técnicas” final porque: 1) no quería interrumpir el flujo de la explicación de un tema con una sección tangencial extensa so-bre la tecnología, y 2) noté que los distintos profesores prefieren tratar una tecnología particular en relación con diferentes temas.

Para los estudiantes y profesores que querían explorar la estrategia experimental con más detalle, incluí una sección de Vías experimentales al final de casi todos los capítulos. Cada una de estas narrativas describe algunos de los hallazgos expe-rimentales clave que condujeron a la comprensión de un tema particular relevante para el capítulo en cuestión. Como el alcan-ce de la narrativa es limitado, puede considerarse el diseño de los experimentos con cierto detalle. Las figuras y cuadros de estas secciones a menudo son los que aparecieron en el artículo de investigación original, lo que brinda al lector la oportunidad de examinar los datos originales y darse cuenta que su análisis no escapa a sus recursos. Las Vías experimentales también ilustran la naturaleza escalonada del descubrimiento científico, muestran cómo el resultado de un estudio genera preguntas que establecen la base para estudios ulteriores.● Quería un libro que fuera interesante y legible. Para hacer que el texto fuera más relevante para los estudiantes, sobre aquellos del curso preparatorio para ingresar a la facultad de

medicina, incluí las secciones Perspectiva humana. Éstas ilus-tran el hecho que casi todos los trastornos humanos pueden tratarse mediante la interrupción de las actividades a nivel celular y molecular. Además, revelan la importancia de la inves-tigación básica como la vía para comprender y, al final, tratar la mayor parte de las enfermedades. Por ejemplo, en el capítulo 11 la sección Perspectiva humana describe cómo los pequeños siRNA sintéticos pueden ser una herramienta nueva importante para tratar el cáncer y las enfermedades virales, incluido el sida. En ese mismo capítulo, el estudiante aprenderá la forma en que se descubrió la acción de tales RNA en estudios con plantas y nematodos. Se hace evidente que nunca puede predecirse la im-portancia práctica de la investigación básica en la biología celu-lar y molecular. También intenté incluir información relevante sobre biología humana y aplicaciones clínicas en todo el libro.● Quería un programa de ilustraciones de alta calidad que ayudara a los estudiantes a visualizar los complejos procesos celulares y moleculares. Para alcanzar esta meta, muchas de las ilustraciones se “escalonaron” para que la información fuera más fácil de reducir a fragmentos más manejables. Los fenómenos que ocurren en cada paso se describen en el pie de la figura, en el texto correspondiente o en ambos. También incluí muchas micrografías a fin de permitir a los estudiantes ver las represen-taciones reales de la mayor parte de los temas tratados. Entre las fotografías se incluyen muchas micrografías con fluorescencia que ilustran las propiedades dinámicas de las células o repre-sentan una forma de localizar una proteína o secuencia de ácido nucleico específicas. Siempre que fuera posible, intenté empare-jar dibujos con las micrografías para ayudar a los estudiantes a comparar las versiones idealizada y real de una estructura.Los cambios más importantes en la sexta edición son los si-guientes:● Las referencias que siempre aparecían al final de cada capítu-lo en las ediciones previas ahora aparecen en una sección al final del libro.● El cuerpo de la información sobre biología celular y mole-cular está en evolución constante, lo que explica gran parte de la emoción que todos sentimos acerca del campo que elegimos. Aunque sólo han pasado tres años desde la publicación de la quinta edición, casi todas las explicaciones del texto se modi-ficaron en mayor o menor medida. Esto se hizo sin aumentos significativos en la extensión de los capítulos.● Todas las ilustraciones de la quinta edición se sometieron a un escrutinio y muchas de las que se usaron de nuevo en la sexta edición se modificaron en cierta medida. Muchos de los dibujos de la quinta edición se eliminaron para dejar espacio a elementos nuevos. Los profesores expresaron una aprobación particular sobre las figuras que yuxtaponen dibujos y microgra-fías, y este estilo de ilustración se amplió en la sexta edición. En total, la sexta edición contiene más de 60 micrografías e imáge-nes computarizadas nuevas, todas las cuales fueron proporcio-nadas por la fuente original.

Prefacio a la sexta edición

IX

Comité asesor para la revisión de la edición en español

X

PAULA FIGUEROA Doctorado en Ciencias Químico-BiológicasProfesora Titular del Posgrado Institucional

de Biomedicina MolecularInstituto Politécnico Nacional Escuela Nacional de Medicina y Homeopatía

LAURA E. GARCÍA TOVARM.C. Microbiología Médica.Profesora Asociada. División de Ciencias de

la SaludUniversidad de Monterrey

EDUARDO RUIZBioquímico por la Universidad del País Vasco

(España)Ph.D. en Farmacología Universidad del País

Vasco (España)Universidad Icesi

CARLOS FRANCISCO ESPINOZA VÁZQUEZM.C. Microbiología Molecular en Área

MédicaCatedrático de la Maestría en Ciencias de la

Salud, UPAEPCatedrático de la Licenciatura en Medicina,

UPAEPInvestigador en la UAT, Facultad de

Odontología

JOSÉ ANTONIO SÁNCHEZ HERNÁNDEZM.C. Ciencias AmbientalesJefe del Departamento de Biología CelularFacultad de Medicina, Benemérita

Universidad Autónoma de Puebla

SAÚL LIRA ALBARRÁNMédico Genetista

VÍCTOR MATEO SAAVEDRA ALANÍSDepartamento de BioquímicaMedicina, UASLP

AUGUSTO VALDERRAMAPh.D. en Ciencias Básicas Médicas,

Universidad del Valle (2010)Docente Biología Molecular-Medicina y

Cirugía, Universidad LibreDirector Grupo Instituto de Investigaciones

Biomédicas, Universidad LibreEditor en Jefe: Revista Colombiana Salud

Ocupacional, Universidad LibreDirector Investigaciones Hemato-

oncológicas de Imbanaco Cali, Colombia

H ay muchas personas en John Wiley & Sons que han hecho contribuciones importantes a esta obra. Sigo agradecido con Geraldine Osnato, cuyo trabajo y apoyo durante dos ediciones no olvido. Merillat Staat ocupó hábilmente su sitio en esta edición, fungió como editor del proyecto con la guía de Kevin Witt. Gracias a Meri-llat por dirigir el desarrollo de los diversos suplementos que se ofrecen con este libro. Estoy particularmente en deuda con el personal de producción de Wiley, son los mejores. Jeanine Furino, Editora de Producción, actuó como el sistema nervioso central, coordinó la información que llegaba de compositores, correctores de manuscrito, lectores de pruebas, ilustradores, editores de foto-grafías, diseñadores y formadores de prototipos, además de actuar como la represa constante a los cambios en el texto indicados por el autor. Siempre calmada, organizada y meticulosa, se aseguró de que todo se hiciera en forma correcta. Hilary Newman y Anna Melhorn fueron responsables de los programas de fotografía y dibujo artístico, respectivamente. He tenido la fortuna de traba-jar con Hilary en las seis ediciones de esta obra. Hilary es hábil y perseverante, y tengo la mayor confianza en su habilidad para

obtener la imagen requerida. También fue un gran placer tra-bajar con Anna por cuarta ocasión. El libro tiene un complejo programa de ilustración y Anna realizó un trabajo fabuloso al coordinar las múltiples facetas necesarias para guiarlo hasta su culminación. El elegante diseño del libro y la portada se deben a los esfuerzos de Madelyn Lesure, cuyos talentos son evidentes. Gracias a Alissa Etrheim, que fue asistente editorial para la ma-yor parte del proyecto, pero se mudó a la región salvaje de Alaska justo antes de la publicación. Gracias también a Claire Walczak por toda su ayuda en la revisión del capítulo 9, y en la contribu-ción a una sección sobre técnicas de imágenes con fluorescencia y las ilustraciones acompañantes. Agradezco en especial a Laura Ierardi, quien formó hábilmente las páginas de cada capítulo.

Agradezco en especial a los múltiples biólogos que contribu-yeron con micrografías para usarlas en este libro; más que cual-quier otro elemento, estas imágenes dan vida a las páginas impre-sas sobre estudio de la biología celular. Por último, deseo pedir una disculpa anticipada por cualquier error que pudiera haber en el texto y expreso mi sincera vergüenza. Agradezco las críticas constructivas y la asesoría consistente de los revisores siguientes.

Reconocimientos

XI

Revisores de la sexta edición:Ravi AlladaNorthwestern UniversityKenneth J. BalazovichUniversity of MichiganMartin BootmanBabraham InstituteRichard E. DearbornAlbany College of PharmacyLinda DeveauxIdaho State UniversityBenjamin GlickThe University of ChicagoReginald HalabyMontclair State UniversityMichael HampseyUniversity of Medicine and Dentistry of New JerseyMichael HarringtonUniversity of AlbertaMarcia HarrisonMarshall UniversityR. Scott HawleyAmerican Cancer Society Research ProfessorMark HensUniversity of North Carolina, GreensboroJen-Chih HsiehState University of New York at Stony BrookMichael G. JonzUniversity of OttawaRoland KaunasTexas A&M University

Tom KellerFlorida State UniversityRebecca KellumUniversity of KentuckyKim KirbyUniversity of GuelphFaith LieblSouthern Illinois University, EdwardsvilleJon LowranceLipscomb UniversityCharles MalleryUniversity of MiamiMichael A. McalearWesleyan UniversityJoann MeerschaertSaint Cloud State UniversityJohn MenningerUniversity of IowaKirsten MonsenMontclair State UniversityAlan NighornUniversity of ArizonaCharles PutnamThe University of ArizonaDavid ReismanUniversity of South CarolinaShivendra V. SahiWestern Kentucky UniversityEric SheldenWashington State UniversityPaul TwiggUniversity of Nebraska-Kearney

Claire E.WalczakIndiana UniversityPaul E.WandaSouthern Illinois University, EdwardsvilleAndrew WoodSouthern Illinois UniversityJianzhi ZhangUniversity of Michigan

Aún debo un agradecimiento a los siguientes revisores de las cuatro ediciones previas:

Linda AmosMRC Laboratory of Molecular BiologyKarl AufderheideTexas A&M UniversityGerald T. BabcockMichigan State UniversityWilliam E. BalchThe Scripps Research InstituteJames BarberImperial College of Science—Wolfson LaboratoriesJohn D. BellBrigham Young UniversityWendy A. BickmoreMedical Research Council, United KingdomAshok BidwaiWest Virginia UniversityDaniel BrantonHarvard UniversityThomas R. BreenSouthern Illinois University

XII RECONOCIMIENTOS

Sharon K. BullockVirginia Commonwealth UniversityRoderick A. CapaldiUniversity of OregonGordon G. CarmichaelUniversity of Connecticut Health CenterRatna ChakrabartiUniversity of Central FloridaK. H. Andy ChooRoyal Children’s Hospitals— The Murdoch Ins-tituteDennis O. CleggUniversity of California—Santa BarbaraOrna Cohen-FixNational Institute of Health, Laboratory ofMolecular and Cellular BiologyRonald H. CooperUniversity of California—Los AngelesPhilippa D. DarbreUniversity of ReadingRoger W. DavenportUniversity of MarylandBarry J. DicksonResearch Institute of Molecular PathologySusan DesimoneMiddlebury CollegeDavid DoeWestfield State CollegeRobert S. DotsonTulane UniversityJennifer A. DoudnaYale UniversityMichael EdidinJohns Hopkins UniversityEvan E. EichlerUniversity of WashingtonArri EisenEmory UniversityRobert FillingameUniversity of Wisconsin Medical SchoolJacek GaertigUniversity of GeorgiaReginald HalabyMontclair State UniversityRebecca HealdUniversity of California—BerkeleyRobert HellingUniversity of MichiganArthur HorwichYale University School of MedicineJoel A. HubermanRoswell Park Cancer InstituteGregory D. D. HurstUniversity College LondonKen JacobsonUniversity of North Carolina

Marie JanickeUniversity at Buffalo—SUNYHaig H. Kazazian, Jr.University of PennsylvaniaLaura R. KellerFlorida State UniversityNemat O. KeyhaniUniversity of FloridaNancy KlecknerHarvard UniversityWerner KühlbrandtMax-Planck-Institut für BiophysikJames LakeUniversity of California—Los AngelesRobert C. LiddingtonBurnham InstituteVishwanath R. LingappaUniversity of California—San FranciscoJeannette M. LoutschArkansas State UniversityMargaret LynchTufts UniversityCharles MalleryUniversity of MiamiArdythe A. MccrackenUniversity of Nevada—RenoThomas McknightTexas A&M UniversityMichelle MoritzUniversity of California—San FranciscoAndrew NewmanCambridge UniversityAlan NighornUniversity of ArizonaJonathan NugentUniversity of LondonMike O’donnellRockefeller UniversityJames PattonVanderbilt UniversityHugh R. B. PelhamMRC Laboratory of Molecular BiologyJonathan PinesWellcome/CRC InstituteDebra PiresUniversity of California—Los AngelesMitch PricePennsylvania State UniversityDavid ReismanUniversity of South CarolinaDonna RitchUniversity of Wisconsin—Green BayJoel L. RosenbaumYale UniversityWolfram SaengerFreie Universitat Berlin

Randy SchekmanUniversity of California—BerkeleySandra SchmidThe Scripps Research InstituteTrina SchroerJohns Hopkins UniversityDavid SchultzUniversity of LouisvilleRod ScottWheaton CollegeKatie ShannonUniversity of North Carolina—Chapel HillJoel B. SheffieldTemple UniversityDennis ShevlinCollege of New JerseyHarriett E. Smith-SomervilleUniversity of AlabamaBruce StillmanCold Springs Harbor LaboratoryAdriana StoicaGeorgetown UniversityColleen TalbotCalifornia State Univerity, San BernardinoGiselle ThibaudeauMississippi State UniversityJeffrey L. TravisUniversity at Albany—SUNYPaul TwiggUniversity of Nebraska—KearneyNigel UnwinMRC Laboratory of Molecular BiologyAjit VarkiUniversity of California—San DiegoJose VazquezNew York UniversityJennifer WatersHarvard UniversityChris WattersMiddlebury CollegeAndrew WebberArizona State UniversityBeverly WendlandJohns Hopkins UniversityGary M.WesselBrown UniversityEric V. WongUniversity of LouisvilleGary YellenHarvard Medical SchoolMasasuke YoshidaTokyo Institute of TechnologyRobert A. ZimmermanUniversity of Massachusetts

C uando yo ingresé a la universidad, la biología esta-ba en el fondo de una lista de posibles especializa-ciones. Me inscribí en un curso de antropología fí-sica para cumplir el requisito de ciencias biológicas por la vía más fácil posible. Durante ese curso, aprendí por primera vez sobre los cromosomas, mitosis y recombinación genética, y quedé fas-cinado por las actividades intrincadas que podrían ocurrir en un volumen tan pequeño de espacio celular. El siguiente semestre llevé el curso de Biología introductoria y comencé a considerar con seriedad el convertirme en biólogo celular. Le abrumo con esta historia personal para que comprenda porqué escribí este libro y para advertirle sobre las posibles repercusiones.

Aunque han pasado muchos años, la biología celular toda-vía me resulta el tema más fascinante para explorar y todavía me encanta pasar el día leyendo sobre los hallazgos más recientes de mis colegas en el campo. Por tanto, para mí el escribir un libro de biología celular es una razón y una oportunidad para man-tenerme al día con lo que ocurre en este campo. Mi meta prin-cipal al escribir esta obra es ayudar a generar un aprecio en los estudiantes por las actividades en las que participan moléculas gigantes y estructuras diminutas que habitan el mundo de la vida celular. Otro objetivo es presentar al lector una idea de los tipos de preguntas que los biólogos celulares y moleculares se hacen, así como las estrategias experimentales que usan para buscar las res-puestas. Mientras lea el libro, piense como un investigador; consi-dere la evidencia que se presenta, piense en explicaciones alterna-tivas, planee experimentos que podrían llevar a nuevas hipótesis.

Podría usted comenzar este abordaje con la observación de alguna de las muchas micrografías electrónicas que llenan las páginas de este libro. Para tomar esta fotografía, usted se encon-traría en una pequeña habitación en la oscuridad total frente a un instrumento metálico grande cuya columna se eleva varios metros sobre su cabeza. Usted mira a través de un par de binocu-lares hacia una pantalla de un vívido color verde brillante. Las partes de la célula que examina se ven oscuras e incoloras contra el fondo verde brillante. Son oscuras porque se tiñeron con áto-mos de un metal pesado que desvían una fracción de los electrones dentro de un haz que se enfoca en la pantalla mediante grandes lentes electromagnéticas en la pared de la columna. Los electro-nes que chocan con la pantalla se aceleran por el espacio vaciado de la columna por una fuerza de decenas de miles de voltios. Una de sus manos podría sujetar una perilla que controla el poder de magnificación de las lentes. Un simple giro a esta perilla cam-bia la imagen frente a sus ojos de la de un campo completo de células a una parte diminuta de una célula, como unos cuantos ribosomas o una pequeña parte de una sola membrana. Al girar otras perillas, puede observar distintas partes de la laminilla con el espécimen en la pantalla, lo que le da la sensación de despla-zarse dentro de la célula. Una vez que encuentra una estructura de interés, puede girar una manivela que retira la pantalla de la vista y permite que el haz de electrones choque con un fragmen-to de película y produzca una imagen fotográfica del espécimen.

Como el estudio de la función celular requiere el uso de muchos instrumentos, como el microscopio electrónico recién

descrito, el investigador está alejado físicamente del sujeto de estudio. En gran medida, las células son como diminutas ca-jas negras. Se han desarrollado muchas formas de explorar las cajas, pero siempre se anda a tientas en un área que no puede iluminarse por completo. Se hace un descubrimiento o se desa-rrolla una nueva técnica y un nuevo haz de luz penetra la caja. Con más trabajo se amplía la comprensión de la estructura o el proceso, pero siempre quedan preguntas adicionales. Se generan construcciones más completas y sofisticadas, pero nunca puede estarse seguro de qué tanto se aproximan las vistas a la reali-dad. En este aspecto, el estudio de la biología celular y molecular puede compararse con el estudio de un elefante conducido por seis hombres ciegos en una antigua fábula india. Los seis viajan a un palacio cercano para aprender acerca de la naturaleza de los elefantes. Cuando llegan, cada uno se aproxima al elefante y empieza a tocarlo. El primer hombre ciego toca el costado del animal y concluye que el elefante es liso como una pared. El se-gundo toca la trompa y decide que un elefante es redondo como una serpiente. Los otros miembros del grupo tocan el colmillo, la pata, oreja y cola del elefante, y cada uno se forma una impre-sión del animal con base en su propia experiencia limitada. Los biólogos celulares están limitados en una forma similar sobre lo que pueden averiguar con una técnica o estrategia experimental particular. Aunque cada información nueva se agrega al conjunto de conocimiento previo para proporcionar un mejor concepto de la actividad en estudio, la imagen total permanece incierta.

Antes de terminar este comentario introductorio, me toma-ré la libertad de ofrecer un consejo al lector: no acepte todo lo que lea como si fuera verdad. Existen varias razones para inducir tal escepticismo. No hay duda que hay errores en este libro que reflejan la ignorancia o mala interpretación del autor sobre al-gún aspecto de la bibliografía científica, pero lo más importante, debemos considerar la naturaleza de la investigación biológica. La biología es una ciencia empírica; nada se comprueba. Se re-copilan datos sobre un organelo celular particular, una reacción metabólica, movimiento intracelular, etc., y se obtiene algún tipo de conclusión. Algunas conclusiones descansan sobre evidencia más sólida que otras. Incluso si existe un consenso de acuerdo sobre los “hechos” referentes a un fenómeno particular, a menudo existen varias interpretaciones posibles de los datos. Se presen-tan las hipótesis y casi siempre estimulan investigación adicional, lo que conduce a una evaluación de la propuesta original. La mayoría de las hipótesis que conservan su validez experimenta algún tipo de evolución y cuando se presenta en el texto, no debe considerarse del todo correcta o incorrecta.

La biología celular es un campo en rápida evolución y al-gunas de las mejores hipótesis a menudo generan controversia considerable. Aunque este es un libro de texto donde uno espera encontrar material bien comprobado, en muchos sitios se pre-sentan ideas nuevas. Muchas veces, estas ideas se describen como modelos. Incluí estos modelos porque transmiten el pensamien-to actual en el campo, aunque sean especulativos. Además, re-fuerzan la idea de que los biólogos celulares operan en la frontera de la ciencia, un límite entre lo desconocido y lo conocido (o lo que se cree conocido). Manténgase escéptico.

Al estudiante

XIII

Contenido breve

1 Introducción al estudio de la biología celular y molecular 1 2 Las bases químicas de la vida 31 3 Bioenergética, enzimas y metabolismo 84 4 La estructura y función de la membrana plasmática 117 5 La respiración aeróbica y la mitocondria 173 6 La fotosíntesis y el cloroplasto 206 7 Interacciones entre las células y su ambiente 230 8 Sistemas de membrana citoplásmica: estructura, función

y tránsito en la membrana 264

9 El citoesqueleto y la movilidad celular 318 10 Naturaleza del gen y el genoma 379 11 Expresión del material genético: de la transcripción a la traducción 419 12 El núcleo celular y el control de la expresión génica 475 13 Replicación y reparación del DNA 533 14 Reproducción celular 560 15 Señalización celular y transducción de señales:

comunicación entre las células 605

16 Cáncer 650 17 La respuesta inmunitaria 682 18 Técnicas en biología celular y molecular 715

Glosario G-1

Lecturas adicionales L-1

Índice alfabético I-1

Índice temático T-1

XIV

1 Introducción al estudio de la biologíacelular y molecular 1

1.1 EL DESCUBRIMIENTO DE LAS CÉLULAS 2

1.2 PROPIEDADES BÁSICAS DE LAS CÉLULAS 3Las células son muy complejas y organizadas 3Las células poseen un programa genético y los medios

para usarlo 5Las células son capaces de reproducirse 5Las células obtienen y utilizan energía 5Las células llevan a cabo diferentes reacciones químicas 5Las células se ocupan de numerosas actividades

mecánicas 6Las células son capaces de reaccionar a estímulos 6Las células son capaces de autorregularse 6Las células evolucionan 6

1.3 DOS CLASES DE CÉLULAS FUNDAMENTALMENTE DIFERENTES 7Características que diferencian a las células procariotas

de las eucariotas 8Tipos de células procariotas 12Tipos de células eucariotas: especialización celular 15Tamaño de las células y sus componentes 16Biología sintética 18● PERSPECTIVA HUMANA Posibilidad de un tratamiento

con reemplazo celular 19

1.4 VIRUS 21Viroides 24● VÍAS EXPERIMENTALES Origen de las células

eucariotas 25

2 Las bases químicas de la vida 31 2.1 ENLACES COVALENTES 32

Moléculas polares y no polares 33Ionización 33

2.2 ENLACES NO COVALENTES 33Enlaces iónicos: atracciones entre átomos con carga 33● PERSPECTIVA HUMANA Radicales libres como causa

de envejecimiento 34Enlaces de hidrógeno 35Interacciones hidrófobas y fuerzas de van der Waals 36Las propiedades del agua para mantener la vida 36

2.3 ÁCIDOS, BASES Y AMORTIGUADORES 38

2.4 LA NATURALEZA DE LAS MOLÉCULAS BIOLÓGICAS 39Grupos funcionales 40

Una clasificación de las moléculas biológicas por función 40

2.5 CUATRO TIPOS DE MOLÉCULAS BIOLÓGICAS 41Carbohidratos 42Lípidos 46Proteínas 49● PERSPECTIVA HUMANA El plegamiento anormal de

proteínas puede tener consecuencias letales 64Ácidos nucleicos 74

2.6 LA FORMACIÓN DE ESTRUCTURAS MACROMOLECULARES COMPLEJAS 76El ensamble de las partículas del virus del mosaico

del tabaco y las subunidades ribosomales 76● VÍAS EXPERIMENTALES Chaperonas: ayuda a

las proteínas a llegar a su estado plegado apropiado 78

3 Bioenergética, enzimasy metabolismo 84

3.1 BIOENERGÉTICA 85Las leyes de la termodinámica y el concepto

de entropía 85Energía libre 87

3.2 ENZIMAS COMO CATALIZADORES BIOLÓGICOS 92Propiedades de las enzimas 93Superación de la barrera de la energía de activación 94El sitio activo 95Mecanismos de catálisis enzimática 97Cinética enzimática 100● PERSPECTIVA HUMANA El problema creciente

de la resistencia a antibióticos 104

3.3 METABOLISMO 105Generalidades del metabolismo 105Oxidación y reducción: un asunto de electrones 106La captura y utilización de energía 107Regulación metabólica 112

4 La estructura y función de la membrana plasmática 117

4.1 GENERALIDADES DE LAS FUNCIONES DE LA MEMBRANA 118

4.2 UNA BREVE HISTORIA DE LOS ESTUDIOS SOBRE LA ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA 119

4.3 LA COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LAS MEMBRANAS 122Lípidos de membrana 122

Contenido

XV

XVI CONTENIDO

La asimetría de los lípidos de la membrana 125Carbohidratos de la membrana 126

4.4 LA ESTRUCTURA Y FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS DE MEMBRANA 127Proteínas integrales de la membrana 128Estudio de la estructura y propiedades de las proteínas

integrales de la membrana 128Proteínas periféricas de membrana 132Proteínas de membrana ancladas a los lípidos 133

4.5 LÍPIDOS DE MEMBRANA Y LA FLUIDEZ DE LA MEMBRANA 133La importancia de la fluidez de la membrana 134Mantenimiento de la fluidez de la membrana 135Balsas lipídicas 135

4.6 LA NATURALEZA DINÁMICA DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA 136La difusión de las proteínas de membrana después de la

fusión celular 136Restricciones a la movilidad de proteínas y lípidos 137El eritrocito: un ejemplo de estructura de la membrana

plasmática 140

4.7 EL MOVIMIENTO DE SUSTANCIAS A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS CELULARES 143La energética del movimiento de solutos 143Difusión de sustancias a través de las membranas 144Difusión facilitada 151Transporte activo 152● PERSPECTIVA HUMANA Defectos en los conductos

iónicos y transportadores como causa de enfermedad hereditaria 156

4.8 POTENCIALES DE MEMBRANA E IMPULSOS NERVIOSOS 159El potencial de reposo 159El potencial de acción 160Propagación de los potenciales de acción como

impulso 162Neurotransmisión: salto de la hendidura sináptica 163● VÍAS EXPERIMENTALES El receptor para

acetilcolina 166

5 La respiración aeróbica y la mitocondria 173

5.1 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MITOCONDRIA 174Membranas mitocondriales 175La matriz mitocondrial 176

5.2 METABOLISMO OXIDATIVO EN LA MITOCONDRIA 177El ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) 180La importancia de las coenzimas reducidas en la formación

de ATP 181

5.3 LA FUNCIÓN DE LA MITOCONDRIA EN LA FORMACIÓN DE ATP 182Potenciales de oxidación-reducción 182

● PERSPECTIVA HUMANA La función de los metabolismos anaeróbico y aeróbico en el ejercicio 183

Transporte de electrones 185Tipos de portadores de electrones 185

5.4 TRANSLOCACIÓN DE PROTONES Y ESTABLECIMIENTO DE UNA FUERZA MOTRIZ PARA PROTONES 191

5.5 LOS MECANISMOS PARA LA FORMACIÓN DE ATP 192La estructura de la sintasa de ATP 193La base de la formación de ATP de acuerdo con

el mecanismo de cambio de unión 195Otras funciones para la fuerza motriz de protones además

de la síntesis de ATP 199

5.6 PEROXISOMAS 200● PERSPECTIVA HUMANA Enfermedades consecutivas

a la función anormal de mitocondrias o peroxisomas 201

6 La fotosíntesis y el cloroplasto 206 6.1 ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DEL CLOROPLASTO 208

6.2 UNA REVISIÓN DEL METABOLISMO FOTOSINTÉTICO 209

6.3 LA ABSORCIÓN DE LUZ 211Pigmentos fotosintéticos 211

6.4 UNIDADES FOTOSINTÉTICAS Y CENTROS DE REACCIÓN 213Formación de oxígeno: coordinación de la actividad

de dos sistemas fotosintéticos diferentes 213Destrucción de hierbas mediante inhibición del transporte

de electrones 220

6.5 FOTOFOSFORILACIÓN 220Fotofosforilación no cíclica en comparación con

cíclica 220

6.6 FIJACIÓN DEL DIÓXIDO DE CARBONO Y LA SÍNTESIS DE CARBOHIDRATOS 221Síntesis de carbohidratos en las plantas C3 221Síntesis de carbohidratos en las plantas C4 226Síntesis de carbohidratos en las plantas CAM 227

7 Interacciones entre las células y su ambiente 230

7.1 ESPACIO EXTRACELULAR 231Matriz extracelular 232

7.2 INTERACCIONES DE LAS CÉLULAS CON LOS MATERIALES EXTRACELULARES 239Integrinas 239Adhesiones focales y hemidesmosomas: fijación de las

células a su sustrato 242

7.3 INTERACCIONES DE LAS CÉLULAS ENTRE SÍ 245Selectinas 245● PERSPECTIVA HUMANA Función de la adhesión celular

en la inflamación y metástasis 247

CONTENIDO XVII

Superfamilia de las inmunoglobulinas 249Caderinas 249Uniones adherentes y desmosomas: fijación de unas células

con otras 250Función de los receptores de adhesión celular en la

señalización transmembranosa 253

7.4 ZONAS DE OCLUSIÓN: SELLADO DEL ESPACIO EXTRACELULAR 254

7.5 UNIONES COMUNICANTES Y PLASMODESMAS: MEDIACIÓN DE LA COMUNICACIÓN INTERCELULAR 256Plasmodesmas 258

7.6 PAREDES CELULARES 260

8 Sistemas de membrana citoplásmica: estructura, función y tránsito en la membrana 264

8.1 REVISIÓN DEL SISTEMA ENDOMEMBRANOSO 265

8.2 ALGUNAS APROXIMACIONES AL ESTUDIO DE LAS ENDOMEMBRANAS 267Información obtenida de la autorradiografía 267Información obtenida a partir de la proteína verde

fluorescente 267Información obtenida del análisis bioquímico

de las fracciones subcelulares 269Información obtenida a partir de sistemas libres

de células 270Información obtenida del estudio de fenotipos

mutantes 271

8.3 EL RETÍCULO ENDOPLÁSMICO 273El retículo endoplásmico liso 273Funciones del retículo endoplásmico rugoso 273Del retículo endoplásmico al aparato de Golgi: primer paso

en el transporte vesicular 283

8.4 EL APARATO DE GOLGI 284Glucosilación en el aparato de Golgi 284El movimiento de materiales a través del aparato

de Golgi 287

8.5 TIPOS DE TRANSPORTE EN VESÍCULAS Y SUS FUNCIONES 288Vesículas cubiertas con COP II: transporte de cargamento

del retículo endoplásmico al aparato de Golgi 289Vesículas cubiertas con COP I: transporte de proteínas

escapadas de regreso al retículo endoplásmico 291Más allá del aparato de Golgi: ordenamiento de proteínas

en la red trans de Golgi (TGN) 292Direccionamiento de las vesículas a un compartimiento

particular 294

8.6 LISOSOMAS 297● PERSPECTIVA HUMANA Trastornos secundarios a

defectos de la función lisosómica 299

8.7 VACUOLAS DE LAS CÉLULAS VEGETALES 301

8.8 LA VÍA ENDOCÍTICA: MOVIMIENTO DE MEMBRANA Y MATERIALES DENTRO DE LA CÉLULA 301Endocitosis 302Fagocitosis 308

8.9 CAPTACIÓN DE PROTEÍNAS POR PEROXISOMAS, MITOCONDRIAS Y CLOROPLASTOS DESPUÉS DE LA TRADUCCIÓN 309Captación de proteínas en los peroxisomas 309Captación de proteínas en las mitocondrias 309Captación de proteínas en los cloroplastos 311● VÍAS EXPERIMENTALES Endocitosis mediada por

receptor 312

9 El citoesqueleto y la movilidad celular 318 9.1 REVISIÓN DE LAS PRINCIPALES FUNCIONES DEL

CITOESQUELETO 319

9.2 ESTUDIO DEL CITOESQUELETO 320El uso de la microscopia con fluorescencia en células

vivas 320El uso de pruebas de moléculas individuales in vitro e in

vivo 322Uso de técnicas de imágenes con fluorescencia para vigilar

la dinámica del citoesqueleto 323

9.3 MICROTÚBULOS 324Estructura y composición 324Proteínas relacionadas con los microtúbulos 325Microtúbulos como soportes y organizadores

estructurales 326Microtúbulos como agentes de movilidad intracelular 327Proteínas motoras que cruzan el citoesqueleto

microtubular 328Centros organizadores de microtúbulos 333Las propiedades dinámicas de los microtúbulos 335Cilios y flagelos: estructura y función 339● PERSPECTIVA HUMANA La función de los cilios en el

desarrollo y la enfermedad 340

9.4 FILAMENTOS INTERMEDIOS 347Ensamble y desensamble de filamentos intermedios 348Tipos y funciones de los filamentos intermedios 349

9.5 MICROFILAMENTOS 351Ensamble y desensamble de microfilamentos 352Miosina: el motor molecular de los filamentos de

actina 354

9.6 CONTRACTILIDAD MUSCULAR 359El modelo de filamento deslizante de la contracción

muscular 360

9.7 MOTILIDAD EXTRAMUSCULAR 365Proteínas de unión con la actina 365Ejemplos de movilidad y contractilidad

extramuscular 367

XVIII CONTENIDO

10 Naturaleza del gen y el genoma 37910.1 CONCEPTO DE GEN COMO UNIDAD DE LA HERENCIA 380

10.2 CROMOSOMAS: PORTADORES FÍSICOS DE LOS GENES 381Descubrimiento de los cromosomas 381Cromosomas como portadores de la información

genética 382Análisis genético en Drosophila 383Entrecruzamiento y recombinación 383Mutagénesis y cromosomas gigantes 385

10.3 NATURALEZA QUÍMICA DEL GEN 386Estructura del DNA 386La propuesta de Watson y Crick 387DNA superenrollado 390

10.4 ESTRUCTURA DEL GENOMA 393Complejidad del genoma 393● PERSPECTIVA HUMANA Enfermedades que

resultan de la expansión de repeticiones de trinucleótidos 396

10.5 ESTABILIDAD DEL GENOMA 399Duplicación completa del genoma (poliploidización) 399Duplicación y modificación de secuencias del DNA 400“Genes saltarines” y la naturaleza dinámica del

genoma 402

10.6 SECUENCIACIÓN DE GENOMAS: LA BASE GENÉTICA DEL SER HUMANO 405Genómica comparativa: “si se conserva, debe ser

importante” 406La base genética de el “ser humano” 407Variación genética dentro de la población humana 408● PERSPECTIVA HUMANA Aplicación del análisis

genómico a la medicina 410● VÍAS EXPERIMENTALES La naturaleza química

del gen 413

11 Expresión del material genético: de la transcripción a la traducción 419

11.1 RELACIÓN ENTRE GENES Y PROTEÍNAS 420Revisión del tránsito de la información dentro

de las células 421

11.2 SINOPSIS DE LA TRANSCRIPCIÓN EN CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS 422Transcripción en bacterias 425Transcripción y procesamiento del RNA en células

eucariotas 426

11.3 SÍNTESIS Y PROCESAMIENTO DE LOS RNA RIBOSÓMICO Y DE TRANSFERENCIA 428Síntesis del precursor de rRNA 429Procesamiento del rRNA precursor 430Síntesis y procesamiento del rRNA 5S 432RNA de transferencia 433

11.4 SÍNTESIS Y PROCESAMIENTO DE RNA MENSAJEROS 434Maquinaria para la transcripción del mRNA 435Procesamiento de genes: un hallazgo inesperado 437Procesamiento de los mRNA eucariotas 440Implicaciones evolutivas de la rotura de genes y el corte

y empalme del RNA 447Creación de nuevas ribozimas en el laboratorio 448

11.5 RNA REGULADORES PEQUEÑOS Y VÍAS DE DESACTIVACIÓN (SILENCIAMIENTO) DE RNA 448● PERSPECTIVA HUMANA Aplicaciones clínicas de la

interferencia de RNA 451Micro-RNA: RNA pequeños que regulan la expresión

génica 452piRNA: una clase de RNA pequeños que funcionan en las

células germinales 454Otros RNA no codificadores 454

11.6 CODIFICACIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA 455Propiedades del código genético 455

11.7 DECODIFICACIÓN DE LOS CODONES: LA FUNCIÓN DE LOS RNA DE TRANSFERENCIA 457La estructura de los tRNA 457

11.8 TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA 461Inicio 461Elongación 464Terminación 466Vigilancia y control de calidad de mRNA 466Polirribosomas 467● VÍAS EXPERIMENTALES Función del RNA en la

catálisis 469

12 El núcleo celular y el control de la expresión génica 475

12.1 NÚCLEO DE UNA CÉLULA EUCARIOTA 476La envoltura nuclear 476Cromosomas y cromatina 481● PERSPECTIVA HUMANA Aberraciones cromosómicas

y enfermedades humanas 491Epigenética: hay más que heredar que una secuencia

de DNA 496El núcleo como un organelo organizado 497

12.2 CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN BACTERIAS 499El operón bacteriano 500Ribointerruptores 503

12.3 CONTROL DE LA EXPRESIÓN GÉNICA EN EUCARIOTAS 503

12.4 CONTROL AL NIVEL TRANSCRIPCIONAL 505La función de los factores de transcripción en la regulación

de la expresión génica 508Estructura de los factores transcripcionales 509Sitios de DNA que participan en la regulación de la

transcripción 511

CONTENIDO XIX

Activación transcripcional: función de los aumentadores, promotores y coactivadores 514

Represión de la transcripción 519

12.5 CONTROL AL NIVEL DEL PROCESAMIENTO 522

12.6 CONTROL AL NIVEL TRADUCCIONAL 524Localización citoplásmica de los mRNA 524El control de la traducción de mRNA 525Control de la estabilidad del mRNA 526Función de los microRNA en el control al nivel

de la traducción 527

12.7 CONTROL POSTRADUCCIONAL: DETERMINACIÓN DE LA ESTABILIDAD DE LA PROTEÍNA 529

13 Replicación y reparación del DNA 53313.1 REPLICACIÓN DEL DNA 534

Replicación semiconservadora 534Replicación en células bacterianas 537Estructura y funciones de las DNA polimerasas 542La replicación en las células eucariotas 546

13.2 REPARACIÓN DEL DNA 552Escisión de nucleótidos y reparación 553Reparación por escisión de bases 554Reparación de la unión deficiente 554Reparación de la rotura de doble cadena 555● PERSPECTIVA HUMANA Consecuencias de las

deficiencias del sistema de reparación del DNA 556

13.3 ENTRE LA REPLICACIÓN Y LA REPARACIÓN 557

14 Reproducción celular 56014.1 EL CICLO CELULAR 561

Ciclos celulares in vivo 562Control del ciclo celular 562

14.2 FASE M: MITOSIS Y CITOCINESIS 569Profase 571Prometafase 576Metafase 578Anafase 579Telofase 585Fuerzas necesarias para los movimientos mitóticos 585Citocinesis 585

14.3 MEIOSIS 590Las etapas de la meiosis 591● PERSPECTIVA HUMANA Falta de disyunción meiótica

y sus consecuencias 596Recombinación genética durante la meiosis 597● VÍAS EXPERIMENTALES Descubrimiento y

caracterización del factor promotor de maduración (MPF) 599

15 Señalización celular y transducción de señales: comunicación entre las células 605

15.1 LOS ELEMENTOS BÁSICOS DE LOS SISTEMAS DE SEÑALIZACIÓN CELULAR 606

15.2 ESTUDIO DE LOS MENSAJEROS EXTRACELULARES Y SUS RECEPTORES 608

15.3 RECEPTORES UNIDOS CON PROTEÍNA G Y SUS SEGUNDOS MENSAJEROS 609Transducción de la señal por receptores unidos

con proteína G 610● PERSPECTIVA HUMANA Trastornos relacionados con los

receptores unidos con proteína G 612Segundos mensajeros 614Especificidad de las reacciones relacionadas

con la proteína G 618Regulación de los niveles de glucosa sanguínea 618La función de los GPCR en la percepción sensorial 622

15.4 FOSFORILACIÓN DE PROTEÍNA TIROSINA COMO MECANISMO PARA LA TRANSDUCCIÓN DE SEÑAL 623La vía de cinasa de Ras-MAP 627Señalización del receptor para insulina 631Vías de señalización en las plantas 633

15.5 FUNCIÓN DEL CALCIO COMO MENSAJERO INTRACELULAR 634Regulación de las concentraciones de calcio en las células

vegetales 63815.6 CONVERGENCIA, DIVERGENCIA Y COMUNICACIÓN CRUZADA

ENTRE DIFERENTES VÍAS DE SEÑALIZACIÓN 638Ejemplos de convergencia, divergencia y comunicación

cruzada entre vías de señalización 63915.7 FUNCIÓN DEL ÓXIDO NÍTRICO COMO MENSAJERO

INTERCELULAR 640

15.8 APOPTOSIS (MUERTE CELULAR PROGRAMADA) 642La vía extrínseca de la apoptosis 643La vía intrínseca de la apoptosis 644

16 Cáncer 65016.1 PROPIEDADES BÁSICAS DE UNA CÉLULA CANCEROSA 651

16.2 CAUSAS DEL CÁNCER 653

16.3 LA GENÉTICA DEL CÁNCER 654Genes supresores de tumor y oncogenes: frenos y

aceleradores 656El genoma del cáncer 667Análisis de la expresión génica 669

16.4 NUEVAS MEDIDAS PARA COMBATIR EL CÁNCER 671Inmunoterapia 672Inhibición de la actividad de proteínas promotoras

de cáncer 673Inhibición de la formación de nuevos vasos sanguíneos

(angiogénesis) 675● VÍAS EXPERIMENTALES El descubrimiento de los

oncogenes 676

XX CONTENIDO

17 La respuesta inmunitaria 68217.1 REVISIÓN DE LA RESPUESTA INMUNITARIA 683

Respuestas inmunitarias innatas 684Respuestas inmunitarias adaptativas 686

17.2 LA TEORÍA DE LA SELECCIÓN CLONAL APLICADA A LOS LINFOCITOS B 687Vacunación 689

17.3 LINFOCITOS T: ACTIVACIÓN Y MECANISMO DE ACCIÓN 690

17.4 TEMAS SELECTOS SOBRE LAS BASES CELULARES Y MOLECULARES DE LA INMUNIDAD 693La estructura molecular de los anticuerpos 693Reordenamiento de DNA de los genes que codifican los

receptores de antígeno de los linfocitos B y T 696Complejos antígeno-receptor unidos a la membrana 699El complejo mayor de histocompatibilidad 699Distinción entre lo propio y lo ajeno 704Los linfocitos se activan por señales en la superficie

celular 704Vías de transducción de señales en la activación de

linfocitos 706● PERSPECTIVA HUMANA Enfermedades

autoinmunitarias 707● VÍAS EXPERIMENTALES La función del complejo mayor

de histocompatibilidad en la presentación de antígenos 709

18 Técnicas en biología celular y molecular 715

18.1 EL MICROSCOPIO ÓPTICO 716Resolución 716Visibilidad 717Preparación de muestras para microscopia óptica 718Microscopia de contraste de fase 718Microscopia de fluorescencia (y técnicas relacionadas

basadas en la fluorescencia) 719Microscopia con video y procesamiento de imágenes 721Microscopia confocal de barrido láser 721Microscopio de fluorescencia con súper resolución 722

18.2 MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE TRANSMISIÓN 722Preparación de la muestra para la microscopia

electrónica 724

18.3 MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO Y MICROSCOPIA DE FUERZA ATÓMICA 729Microscopia de fuerza atómica 730

18.4 USO DE RADIOISÓTOPOS 730

18.5 CULTIVO CELULAR 731

18.6 FRACCIONAMIENTO DEL CONTENIDO DE UNA CÉLULA MEDIANTE CENTRIFUGACIÓN DIFERENCIAL 733

18.7 AISLAMIENTO, PURIFICACIÓN Y FRACCIONAMIENTO DE PROTEÍNAS 734Precipitación selectiva 734Cromatografía líquida en columna 735Electroforesis en gel de poliacrilamida 737Medición y análisis de proteínas 739

18.8 IDENTIFICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DE PROTEÍNAS Y COMPLEJOS MULTISUBUNITARIOS 740

18.9 PURIFICACIÓN DE ÁCIDOS NUCLEICOS 742

18.10 FRACCIONAMIENTO DE ÁCIDOS NUCLEICOS 742Separación de DNA por electroforesis en gel 742Separación de ácidos nucleicos por

ultracentrifugación 743

18.11 HIBRIDACIÓN DE ÁCIDOS NUCLEICOS 745

18.12 SÍNTESIS QUÍMICA DE DNA 746

18.13 TECNOLOGÍA DE DNA RECOMBINANTE 746Endonucleasas de restricción 746Formación de DNA recombinante 748Clonación de DNA 748

18.14 AMPLIFICACIÓN ENZIMÁTICA DE DNA POR REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA 751Aplicaciones de la PCR 752

18.15 SECUENCIACIÓN DE DNA 753

18.16 BIBLIOTECAS DE DNA 755Bibliotecas genómicas 755Genotecas de cDNA 756

18.17 TRANSFERENCIA DE DNA EN CÉLULAS EUCARIOTAS Y EMBRIONES DE MAMÍFERO 757

18.18 DETERMINACIÓN DE LA FUNCIÓN DE GENES EUCARIOTAS POR ELIMINACIÓN O DESACTIVACIÓN (SILENCIAMIENTO) GÉNICA 760Mutagénesis in vitro 760Ratones con bloqueo génico 760Interferencia del RNA 762

18.19 USO DE ANTICUERPOS 763

Glosario G-1

Lecturas adicionales L-1

Índice alfabético I-1

Índice temático T-1

1

1

Las células y sus estructuras son demasiado pequeñas para observarlas, escucharlas o tocarlas de manera directa. Pese a este notable inconve-niente, las células son objeto de cientos de miles de publicaciones cada año, con análisis cuidadoso de casi todos los aspectos de su minúscula estructura. De muchas maneras, el estudio de la biología celular y molecular permanece como tribu-to a la curiosidad humana por investigar, descubrir, y a la inteligencia creativa del ser humano para diseñar instrumentos complejos así como técnicas elaboradas gracias a las cuales se puedan realizar descubrimientos. Esto no implica que los biólogos celulares tengan el monopolio de estos nobles rasgos. En un extremo del espectro científico, los astrónomos buscan en los límites del universo agujeros negros y quása-res, cuyas propiedades parecen inimaginables cuando se comparan con las que existen en la Tierra. En el otro extremo, los físicos nucleares enfocan su atención a partículas de dimensiones subatómicas que también poseen propiedades inconcebibles. Desde luego, el universo posee mundos dentro de otros mundos; todos estos aspectos hacen fascinante su estudio.

Como se advierte a través de todo el libro, la biología celular y molecular es reduc-cionista, esto es, se basa en el razonamiento de que el conocimiento de las partes puede explicar el carácter del todo. Visto de esta forma, la posición respecto de las maravillas

1.1 El descubrimiento de las células1.2 Propiedades básicas de las células1.3 Dos clases de células

fundamentalmente diferentes1.4 VirusPerspectiva humana:

Posibilidad de un tratamiento con reemplazo celular

Vías experimentales: Origen de las células eucariotas

Introducción al estudiode la biología celular y molecular

Un ejemplo de la función de la innovación tecnológica en el campo de la biología celular. Esta micrografía de luz muestra una célula colocada sobre una “superficie” de postes sintéticos. Los postes flexibles sirven como sensores para medir la fuerza mecánica ejercida por la célula. Los elementos teñidos de rojo son haces de filamentos de actina intracelulares que generan fuerzas cuando existe movilidad celular. Cuando la célula se desplaza, arrastra los postes a los que está unida, lo que permite cuantificar la cantidad de tensión que experimenta. El núcleo de la célula está teñido de verde. (Tomada de J.L. Tan, et al., Proc Nat’l Acad Sci USA 100(4), 2003; cortesía de Christopher S. Chen, The Johns Hopkins University.)

2 Capítulo 1 INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR

y misterios de la vida puede reemplazarse por la necesidad de explicar todo en términos de los trabajos de la “maquinaria” de los sistemas vivientes. En la medida en que esto ocurra, se espera que la pérdida que ocasiona tal reduccionismo pueda sustituirse por una apreciación no menos importante de la belleza y com-plejidad de los mecanismos que encierra la actividad celular. ■

1.1 EL DESCUBRIMIENTO DE LAS CÉLULASLas células, por su pequeño tamaño, sólo pueden observarse con la ayuda de un microscopio, el instrumento que aumenta la ima-gen de un objeto diminuto. No se sabe cuándo los seres humanos descubrieron la capacidad de una superficie curva de vidrio para desviar la luz y formar imágenes. Los primeros espejuelos se pro-dujeron en Europa en el siglo xiii y los primeros microscopios ópticos compuestos (de dos lentes) se construyeron a finales del siglo xvi. A mediados del siglo xvii, muchos científicos pioneros utilizaron sus microscopios caseros para descubrir un mundo que nunca se había revelado a simple vista. El descubrimiento de las células (fig. 1-1a) se acredita por lo general a Robert Hooke, un microscopista inglés que a la edad de 27 años le fue concedida la posición de curador de la Royal Society of London, la primera academia científica de Inglaterra. Una de las muchas pregun-tas que Hooke intentó resolver fue por qué los tapones de cor-cho (parte de la corteza de los árboles) eran tan adecuados para contener el aire en una botella. En 1665 escribió lo siguiente: “tomé un buen pedazo de corcho limpio y con un cuchillo tan afilado como una navaja de afeitar corté un pedazo y… entonces lo examiné con un microscopio y percibí que tenía una aparien-cia porosa… muy semejante a un panal de abejas”. Hooke llamó a los poros células porque se asemejaban a las celdas habitadas por los monjes de un monasterio. En la actualidad se sabe que Hooke observó las paredes celulares vacías que corresponden al tejido vegetal muerto, es decir, paredes que en su origen elaboraron las células vivas circundantes.

Mientras tanto, Anton van Leeuwenhoek, un holandés que se ganaba la vida con la venta de ropa y botones, dedicaba su tiempo libre a tallar lentes y construir microscopios de gran cali-dad (fig. 1-1b). Durante 50 años, Leeuwenhoek envió cartas a la Royal Society of London en las que describió sus observaciones microscópicas, junto con una descripción incoherente de sus há-bitos diarios y su estado de salud. Leeuwenhoek fue el primero en examinar una gota de agua estancada bajo el microscopio y para su asombro observó gran cantidad de “animalículos” en el campo del microscopio que iban y venían ante sus ojos. También fue el primero en describir diferentes formas de bacterias presen-tes en el agua resultante de remojar pimienta y en el material del raspado de sus dientes. Sus cartas iniciales remitidas a la Royal Society, en las que describe este mundo todavía no descubierto, se tomaron con tal escepticismo que la sociedad mandó a su cu-rador Robert Hooke para confirmar las observaciones. Hooke hizo lo indicado y Leeuwenhoek se convirtió de inmediato en una celebridad mundial y recibió visitas en Holanda de Pedro el Grande de Rusia y la reina de Inglaterra.

No fue sino hasta la década de 1830 que se difundió la im-portancia de las células. En 1838, Matthias Schleiden, un aboga-do alemán que se convirtió en botánico, concluyó que a pesar de la diferencia en la estructura de varios tejidos, las plantas estaban

hechas de células y que el embrión de la planta proviene de una sola célula. En 1839, Theodor Schwann, un zoólogo alemán y colega de Schleiden, publicó un informe detallado sobre las bases celulares del mundo animal. Schwann concluyó que las células de plantas y animales son estructuras similares y propuso estos dos principios de la teoría celular:■ Todos los organismos están compuestos de una o más células.■ La célula es la unidad estructural de la vida.Las ideas de Schleiden y Schwann sobre el origen de las células son menos profundas; ambos están de acuerdo que éstas podrían originarse de materiales acelulares. Dada la importancia que tu-vieron estos dos investigadores en el mundo científico, fue necesa-rio que pasaran muchos años para que las observaciones de otros

(a)

(b)

FIGURA 1-1 El descubrimiento de las células. (a) Uno de los micros-copios compuestos (con doble lente) más vistosos de Robert Hooke. Recuadro, dibujo realizado por Hooke de un corte delgado de corcho que muestra una red de “células” parecida a un panal de abejas. (b) Mi-croscopio de una sola lente, usado por Anton van Leeuwenhoek para observar bacterias y otros microorganismos. Las lentes biconvexas, capa-ces de aumentar el tamaño de un objeto en cerca de 270 veces y proveer una resolución cercana a 1.35 μm, estaban sostenidas entre dos placas metálicas. (Tomada de The Granger Collection; recuadro y fig. 1-1B tomados de Corbis Bettmann.)

1.2 PROPIEDADES BÁSICAS DE LAS CÉLULAS 3

biólogos, respecto de que las células no se forman por generación espontánea, se aceptaran. Para 1855, el patólogo alemán Rudolf Virchow había formulado un argumento convincente para el ter-cer postulado de la teoría celular:■ Las células sólo pueden originarse por división de una célula

preexistente.

1.2 PROPIEDADES BÁSICAS DE LAS CÉLULASLas células, así como las plantas y los animales, tienen vida. En realidad, la vida es la propiedad básica de las células y éstas son las unidades más pequeñas que poseen tal naturaleza. A diferen-cia de las partes de una célula, las cuales se deterioran si se en-cuentran aisladas, las células completas pueden obtenerse de una planta o animal y cultivarse en un laboratorio donde se multipli-can y crecen por periodos largos de tiempo. Si no se las trata de modo adecuado pueden morir. La muerte puede considerarse una de las propiedades básicas de la vida porque sólo una entidad viva enfrenta esta perspectiva. Resulta importante señalar que las células dentro del organismo mueren casi siempre “por su propia mano”, es decir, son víctimas de un programa interno por el cual las células innecesarias o aquellas que tienen el riesgo de tornarse malignas se eliminan a sí mismas.

El primer cultivo de células humanas lo iniciaron George y Martha Gey de la Johns Hopkins University en 1951. Las células se obtuvieron de un tumor maligno que provenía de Henrietta Lacks y, por lo tanto, se denominaron células HeLa. Las células HeLa, descendientes por división celular de esa primera muestra de células, continúan creciendo en la actualidad en diferentes la-boratorios del mundo (fig. 1-2). Como estas células son más fáciles

de estudiar que las que se hallan dentro del organismo, las células crecen in vitro (es decir, en un cultivo fuera del organismo), se han convertido en una herramienta esencial para los biólogos celulares y moleculares. De hecho, mucha de la información que se revisa en este libro se obtuvo de células crecidas en cultivos de laboratorio.

La exploración de la célula comienza con el análisis de algu-nas de sus propiedades fundamentales.

Las células son muy complejas y organizadas

La complejidad es una propiedad que es evidente cuando se encuentra, pero que es difícil de describir. En este momento es posible pensar sobre la complejidad en términos de orden y con-sistencia. Cuanto más compleja sea una estructura, mayor es el número de partes que deben estar en el lugar adecuado, menor la tolerancia a errores en la naturaleza e interacciones de las partes y mayor la regulación o control que se debe ejercer para mantener el sistema. Las actividades celulares pueden ser extremadamente precisas. Por ejemplo, la replicación del DNA (ácido desoxirribo-nucleico) se realiza con una tasa de error inferior a un error por cada 10 millones de nucleótidos incorporados, y la mayoría de tales errores se corrigen con rapidez por un intrincado mecanis-mo de reparación que reconoce el defecto.

A lo largo de este libro se considera la complejidad de la vida en diferentes niveles. Se describen la organización de átomos dentro de moléculas pequeñas, la disposición de estas molécu- las den tro de polímeros gigantes y el arreglo de moléculas poli-méricas en complejos, los cuales a su vez están dispuestos dentro de organelos subcelulares y al final en el interior de células. Como se observa, existe una gran consistencia en todos los niveles. Cada tipo de célula tiene un aspecto consistente cuando se observa bajo un microscopio electrónico de alta resolución; es decir, sus or-ganelos tienen una forma y ubicación particular, de una especie individual a otra. De manera semejante, cada tipo de organelo muestra una composición constante de macromoléculas que es-tán ordenadas siguiendo un patrón predecible. Considérese a las células que se encuentran en el intestino y que se encargan de obtener los nutrimentos en el tubo digestivo (fig. 1-3).

Las células epiteliales que recubren el intestino están uni-das de manera estrecha y semejan los ladrillos de una pared. Los extremos apicales de estas células, que se dirigen hacia la luz in-testinal, tienen elongaciones (microvellosidades) que facilitan la absorción de nutrimentos. Las microvellosidades son capaces de proyectarse hacia afuera de la superficie celular apical porque contienen un citoesqueleto interno constituido por filamentos, los cuales a su vez están compuestos de monómeros de proteí-na (actina) polimerizados en una disposición característica. En su extremo basal, las células intestinales poseen gran cantidad de mitocondrias que proveen la energía necesaria para alimentar va-rios procesos de transporte de membrana. Cada mitocondria se compone de un patrón definido de membranas internas, las cuales a su vez están compuestas por una estructura proteínica, que in-cluye un mecanismo de síntesis de ATP (trifosfato de adenosina) que funciona con un gradiente de electrones y dicha estructura se proyecta de la membrana interna con una conformación similar a una barra con una esfera en su extremo. Cada uno de estos niveles de organización se ilustra en los recuadros de la figura 1-3.

Por fortuna para los biólogos celulares y moleculares, la evo-lución avanza con lentitud en los niveles de la organización bio-

FIGURA 1-2 Las células HeLa, como las que se muestran, fueron las primeras células humanas mantenidas en cultivo por periodos largos de tiempo y aún se utilizan en la actualidad. A diferencia de las células nor-males que en cultivo tienen un tiempo de vida finito, las células HeLa cancerosas pueden cultivarse de forma indefinida si las condiciones son favorables para mantener el crecimiento y división celulares. (Torsten Wittmann/Photo Researchers Inc.)

4 Capítulo 1 INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR

Recuadro 6

Recuadro 5

50 Å

25 nm

Microvellosidadesapicales

Recuadro 3

Recuadro 2

Recuadro 1 Recuadro 4

Mitocondria

Recuadro 7

0.2 μm

10 μm 0.5 μm35 Å

FIGURA 1-3 Niveles de organización celular y molecular. La fotografía en colores brillantes de una sección teñida muestra la estructura microscópica de una vellosidad de la mucosa del intestino delgado, como se observa a través del microscopio óptico. El recuadro 1 representa una micrografía electrónica de la capa epitelial de células que limitan la pared interior del intestino. La superficie apical de cada célula que mira hacia la luz intestinal tiene un gran número de microvellosidades que intervienen en la absorción de nutrimentos. La región basal de cada célula contiene un gran número de mitocondrias en las que la energía se mantiene disponible para las activida-des celulares. El recuadro 2 muestra las microvellosidades apicales; cada mi-crovellosidad contiene un haz de microfilamentos. El recuadro 3 representa las subunidades de la proteína actina que forman parte de cada filamento. En el recuadro 4 se distingue una mitocondria similar a la encontrada en la región basal de las células epiteliales. El recuadro 5 señala una porción de

la membrana interna de las mitocondrias, incluidas las partículas pedicu-ladas (flecha superior) que se proyectan a partir de la membrana y corres-ponden a los sitios donde se sintetiza el ATP. Los recuadros 6 y 7 mues-tran los modelos moleculares de la maquinaria de síntesis de ATP, la cual se describe por completo en el capítulo 5. (Micrografía de luz, Cecil Fox/Photo Researchers; recuadro 1, cortesía de Shakti P. Kapur, Georgetown University Medical Center; recuadro 2, cortesía de Mark S. Mooseker and Lewis G. Tilney, J Cell Biol. 67:729, 1975, con autorización de la Rockefeller University Press; re-cuadro, 3 cortesía de Kenneth C. Holmes; recuadro 4, cortesía de Keith R. Porter/Photo Researchers; recuadro 5, cortesía de Humberto Fernandez-Moran; recuadro 6, cortesía de Roderick A. Capaldi; recuadro 7, cortesía de Wolfgang Junge, Holger Lill y Siegfried Engelbrecht, University of Osnabrück, Alemania.)

1.2 PROPIEDADES BÁSICAS DE LAS CÉLULAS 5

lógica que les interesa. Por ejemplo mientras que un ser humano y un gato tienen características anatómicas muy diferentes, las células que conforman sus tejidos y los organelos que integran sus células son semejantes. El filamento de actina que se repre-senta en la figura 1-3, recuadro 3, y la enzima sintasa de ATP que se observa en el recuadro 6, son idénticos a las estructuras encon-tradas en diferentes organismos, como seres humanos, caracoles, levaduras y secuoyas. La información obtenida del estudio de las células de un tipo de organismo tiene a menudo aplicaciones di-rectas en otras formas de vida. Muchos de los procesos más ele-mentales, como la síntesis de proteínas, la conversión de energía química o la construcción de una membrana, son muy parecidos en todos los organismos.

Las células poseen un programa genético y los medios para usarlo

Los organismos están construidos de acuerdo con la información codificada en un grupo de genes. El programa genético humano contiene suficiente información para llenar millones de páginas de un texto, si se codificara en palabras. Resulta relevante que esta gran cantidad de información está empaquetada dentro de un grupo de cromosomas que ocupan el espacio del núcleo celu-lar: cientos de veces más pequeño que el punto de esta i.

Los genes son más que gavetas para almacenar información: constituyen los planos para construir las estructuras celulares, las instrucciones para llevar a cabo las actividades celulares y el programa para duplicarse. La estructura molecular de los genes permite, mediante cambios en la información genética (mutacio-nes), que exista variación entre individuos, lo cual forma la base de la evolución biológica. El descubrimiento de los mecanismos por los cuales las células usan su información genética es uno de los logros más grandes de la ciencia en las últimas décadas.

Las células son capaces de reproducirse

Las células, al igual que otros organismos, se generan por repro-ducción. Las células se reproducen por división, un proceso en el cual el contenido de una célula “madre” se distribuye dentro de dos células “hijas”. Antes de la división, el material genético se duplica con éxito y cada célula hija comparte la misma in-formación genética. En la mayoría de los casos, las dos células hijas tienen el mismo volumen. Sin embargo, en algunos casos, como ocurre cuando un oocito humano sufre división, una de las células retiene casi todo el citoplasma, aunque ésta reciba sólo la mitad del material genético (fig. 1-4).

Las células obtienen y utilizan energía

Cada proceso biológico requiere del consumo de energía. De manera virtual, toda la energía necesaria para la vida en la su-perficie de la Tierra proviene de la radiación electromagnética del Sol. Esta energía es captada por los pigmentos que absorben luz presentes en las membranas de las células fotosintéticas (fig. 1-5). La energía luminosa se convierte por fotosíntesis en ener-gía química, que se almacena en forma de carbohidratos ricos en energía, como almidón y sacarosa. Para la mayoría de las células animales, la energía llega a menudo “preempacada” en forma de glucosa. En las personas, la glucosa se libera del hígado hacia la

sangre, que circula en el cuerpo y libera energía química para todas las células. Una vez dentro de la célula, la glucosa se des-ensambla de tal manera que su contenido energético se puede almacenar en forma de energía disponible con rapidez (por lo general como ATP), que más tarde se utiliza para el funciona-miento de las innumerables actividades celulares que necesitan energía. Las células invierten una enorme cantidad de energía tan sólo en degradar y reconstruir las macromoléculas y los orga-nelos de los que están hechas. Este continuo “recambio”, como se le llama, mantiene la integridad de los componentes celulares en virtud de los inevitables procesos de desgaste y rotura, y permite a la célula reaccionar con rapidez a las condiciones cambiantes.

Las células llevan a cabo diferentes reacciones químicas

La función celular se asemeja a plantas químicas en miniatura. Aunque la célula bacteriana más simple es capaz de realizar cien-tos de transformaciones químicas diferentes, ninguna de ellas ocurre a una velocidad significativa en el mundo inanimado. Por lo general, todos los cambios químicos que se efectúan en las cé-

FIGURA 1-5 Captación de energía. Una célula viva del alga filamentosa Spirogyra. El cloroplasto es semejante a un listón, el cual se observa en zigzag a través de la célula y es el sitio donde se captura la energía de la luz solar y se convierte en energía química durante la fotosíntesis. (M.I. Walker/Photo Researchers.)

FIGURA 1-4 Reproducción celular. Este oocito de mamífero experi-mentó en forma reciente una división celular muy desigual en la cual la mayor parte del citoplasma se retuvo dentro del gran oocito, que tiene el potencial para fecundarse y desarrollar un embrión. La otra célula es un remanente no funcional que consiste casi en su totalidad de material nu-clear (se indica por los cromosomas teñidos de azul, flecha). (Cortesía de Jonathan van Blerkom.)

6 Capítulo 1 INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR

lulas necesitan enzimas, moléculas que incrementan la velocidad a la que ocurre una reacción química. La suma total de las reac-ciones químicas en una célula representa el metabolismo celular.

Las células se ocupan de numerosas actividades mecánicas

Las células son sitios de mucha actividad. Los materiales se transportan de un lugar a otro, las estructuras se acoplan y des-acoplan con rapidez y, en muchos casos, la célula entera se mueve por sí misma de un punto a otro. Estos tipos de actividades se basan en cambios intracelulares mecánicos y dinámicos intrace-lulares, la mayoría de ellos iniciados por cambios en la estructura proteínica “motora”. Las proteínas motoras son sólo uno de los muchos tipos de “máquinas” moleculares empleadas por la célula para llevar a cabo actividades mecánicas.

Las células son capaces de reaccionar a estímulos

Algunas células responden a estímulos de manera obvia; por ejemplo, un protista unicelular se mueve lejos de un objeto que está en su camino o se dirige hacia una fuente de nutrimentos. Las células que conforman una planta o animal multicelulares no reaccionan a estímulos de modo tan obvio. La mayor parte de las células está cubierta de receptores que interactúan con sustancias en el ambiente en una forma muy específica. Las células poseen receptores para hormonas, factores de crecimiento, materiales extracelulares, así como sustancias localizadas en la superficie de otras células. Los receptores de las células proveen las vías a tra-vés de las cuales los agentes externos pueden iniciar reacciones específicas en la célula diana. Las células pueden responder a es-tímulos específicos por medio de la alteración de sus actividades metabólicas, al prepararse para la división celular, moverse de un lugar a otro o destruyéndose a sí mismas.

Las células son capaces de autorregularse

Además de necesitar energía, el mantenimiento de un estado complejo y ordenado exige regulación constante. La importancia de los mecanismos de regulación celular es más evidente cuando las células se dañan. Por ejemplo, la falla de una célula para corre-gir un error cuando duplica su DNA puede crear una mutación que la debilita, o una alteración en el control de crecimiento ce-lular, que puede transformar a la célula en una célula cancerosa con la capacidad para destruir a todo el organismo. Poco a poco se conoce más acerca de la forma en que la célula controla estas actividades, pero falta mucho por descubrir.

Considérese el siguiente experimento que llevó a cabo en 1891 Hans Driesch, un embriólogo alemán. Driesch encontró que podía separar por completo las primeras dos o cuatro células de un embrión de erizo de mar y que cada una de las células aisladas desarrollaba un embrión normal (fig. 1-6). ¿Cómo puede una célula que por lo general está destinada a formar sólo una parte del embrión regular sus propias actividades y formar un embrión entero?, ¿de qué forma la célula aislada reconoce la ausencia de sus vecinas y reorienta el curso de su desarrollo celular?, ¿cómo puede una parte del embrión tener un sentido del todo? Hasta el momento no es posible mejorar las respuestas que se dieron hace más de 100 años, cuando se realizó este experimento.

En este libro se describen procesos que requieren diversos pasos ordenados, muchos de los cuales son parecidos a las líneas de ensamble en el armado de un automóvil, donde los trabajado-res acoplan, remueven o hacen ajustes específicos conforme el ar-mado del auto avanza. En la célula, la información para el diseño de productos reside en los ácidos nucleicos y los trabajadores de la construcción son sobre todo las proteínas. Más que ningún otro factor, la presencia de estos dos tipos de macromoléculas aparta a la química celular del mundo inerte. En la célula, los trabajado-res tienen que actuar sin el beneficio de la dirección consciente. Cada paso de un proceso debe ocurrir de modo espontáneo, de forma que el siguiente paso se active de manera automática. En muchos sentidos, la célula opera de un modo análogo al artilugio para exprimir una naranja, descubierto por “el profesor” y que se muestra en la figura 1-7. Cada tipo de actividad celular necesi-ta un grupo único de máquinas y herramientas moleculares muy complejas: los productos de los periodos de la selección natural y su evolución. El objetivo más importante de los biólogos celulares y moleculares es entender la estructura molecular y la función de cada uno de los componentes que intervienen en una actividad particular, así como los medios por los cuales estos componentes interactúan y los mecanismos que regulan dichas interacciones.

Las células evolucionan

¿Cómo surgieron las células? De todas las preguntas trascenden-tes formuladas por los biólogos, ésta es la que menos respuestas

FIGURA 1-6 Autorregulación. El esquema de la izquierda muestra el desarrollo normal de un erizo de mar en el cual un huevo fecundado da lugar a un solo embrión. El esquema de la derecha señala un experimen-to en el que las células de un embrión se separan después de la primera división y se permite que cada célula se desarrolle de manera aislada. En lugar de desarrollarse la mitad de un embrión, como ocurriría si no se alterara, cada célula aislada reconoce la ausencia de su vecina y regula su desarrollo para formar un embrión completo (aunque más pequeño).

1.3 DOS CLASES DE CÉLULAS FUNDAMENTALMENTE DIFERENTES 7

tiene. Se piensa que las células proceden de algunas formas de vida precelular, las cuales a su vez se originaron de materiales orgánicos sin vida que estuvieron presentes en los océanos pri-mordiales. Sin embargo, el origen de las células está envuelto en un misterio total; su evolución puede estudiarse por medio del análisis de los organismos vivos de la actualidad. Si se obser-van las características de las células bacterianas que viven en el tubo digestivo de los seres humanos (fig. 1-18a) y una célula que forma parte de la pared del intestino (fig. 1-3), son notorias las diferencias que existen entre estas dos. No obstante, proceden de una célula ancestral común que vivió hace más de tres mil millones de años. Tales estructuras que comparten las dos células relacionadas de forma distante, como su membrana celular y los ribosomas, debieron estar en la célula ancestral. En la sección Vías experimentales, al final del capítulo, se revisan algunos suce-sos ocurridos durante la evolución de las células. Es preciso tener en mente que la evolución no es tan sólo un hecho del pasado, sino un proceso dinámico que aún modifica las propiedades de las células de los organismos que todavía no han aparecido.

1.3 DOS CLASES DE CÉLULASFUNDAMENTALMENTE DIFERENTESUna vez que el microscopio electrónico estuvo disponible, los biólogos fueron capaces de examinar la estructura interna de una gran variedad de células. A partir de estos estudios se encontró que existen dos tipos básicos de células (procariotas y eucariotas) que se diferencian por su tamaño y tipos de estructuras internas u organelos (fig. 1-8).

La existencia de dos clases distintas de células, sin interme-diarios conocidos, constituye una de las divisiones de evolución más fundamentales en el mundo de la biología.

Las células procariotas, que en su estructura son más sim-ples, incluyen a las bacterias, mientras que las células eucariotas tienen una estructura más compleja e incluyen a los protistas, hongos, plantas y animales.1

No se sabe con certeza cuándo aparecieron las células pro-cariotas por primera vez en la Tierra. La evidencia de vida procariota se obtuvo de rocas con aproximadamente 2 700 millo-nes de años de edad. Estas rocas no contienen tan sólo microbios fosilizados, sino también moléculas orgánicas complejas que son características de tipos particulares de organismos procariotas, incluidas las cianobacterias. Es improbable que tales moléculas se sintetizaran de manera abiótica, esto es, sin la participación de células vivas. Las cianobacterias aparecieron hace casi 2 400 millones de años, porque es cuando la atmósfera fue enriquecida

FIGURA 1-7 Las actividades celulares con frecuencia son análogas a esta máquina de Rube Goldberg en la cual un suceso activa “de manera automática” a otro posterior, en una secuencia de reacciones. (Rube Gold-bergtm y © de Rube Goldberg, Inc.)

REVIS IÓN

1. Liste las propiedades fundamentales que comparten todas las células. Describa la importancia de cada una de estas propiedades.

2. Describa algunas de las características celulares que sugieran que todos los organismos vivos derivan de un ancestro común.

3. ¿Cuál es la fuente de energía que mantiene la vida en la Tierra?, ¿cómo se transfiere esta energía de un organismo a otro?

1 El lector interesado en examinar una propuesta para acabar con el concepto antagónico de organismos procariotas y eucariotas puede leer un breve ensayo de N. R. Pace en Nature 441:289, 2006.

Máquina para obtener jugo de naranja

8 Capítulo 1 INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR

con oxígeno molecular (O2), que es un producto secundario de la actividad fotosintética de estas células procariotas.

El comienzo de las células eucariotas también está rodeado de incertidumbre. Los animales complejos aparecieron de forma más repentina en los registros fósiles hace unos 600 millones de años, pero hay muchas evidencias de que los organismos euca-riotas más simples estuvieron presentes en la Tierra desde más de 1 000 millones de años. El tiempo estimado de la aparición sobre la Tierra de algunos de los principales grupos de orga-nismos se muestra en la figura 1-9. Una vista superficial de esta figura revela la manera en que la vida apareció “pronto” después de la formación de la Tierra y el enfriamiento de su superficie, así como el tiempo que tomó la subsecuente evolución de los animales complejos y plantas.

Características que diferencian a las células procariotas de las eucariotas

La siguiente es una breve comparación entre células procariotas y eucariotas que hace evidentes muchas diferencias básicas entre los dos tipos, así como bastantes similitudes (fig. 1-8). Las seme-janzas y diferencias entre los dos tipos de células se muestran en el cuadro 1-1. Las propiedades que comparten reflejan que las cé-lulas eucariotas casi con certeza evolucionaron a partir de ances-tros procariotas. A causa de su ancestro común, ambos tipos de células p